热泵及其缺陷

热泵及其缺陷常用热泵均采用蒸汽压缩式制冷方式，主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器4部分组成。在制冷工况下，利用压缩机做功，将室内多余的热量依次通过蒸发器、冷凝器排放到室外环境中；制热工况时，同样也是利用压缩机做功，将室外环境中的热量依次通过蒸发器、冷凝器转移到室内，以提高室内温度。由于它可以依靠消耗压缩机的机械功，把室外环境中的低温热量连同消耗的功一起转移到需要较高温度的室内区域中，因此人们习惯上称之为热泵。常见热泵有风冷热泵、水源热泵和土源热泵等形式,其冷热源分别为空气、水和土壤。1．风冷热泵运行工况风冷热泵机组以室外大气作为冷(热)源，所以环境温度的变化对其运行工况影响很大。厂家在其产品样本中标注的机组输出功率都是在机组的名义工况下测量的，即制冷工况为室内干球温度27°C,湿球温度19°C,室外温度35°C；制热工况为室内温度20°C,室外干球温度7°C,湿球温度6°C。在此种工况下，压缩机的运行状况是最优的，工作效率也相对较高。但是,实际的运行工况与此相差甚远。随着环境温度的恶化,风冷热泵机组与室外环境之间的换热量减少,同时压缩机的运行工况也随之恶化：排气温度过高,压缩机线圈温度、润滑油温度上升,造成压缩机的工作能力下降。这两方面的原因导致机组的输出功率降低。特别是在极端气候时,建筑物的空调负荷达到高峰,而机组的输出功率与额定功率相比又大大减少,不能满足负荷需求,空调效果难如人意。以下是TF某风冷热泵机组的输出功率随环境温度的变化情况:室外环境温度(°C)3031323334353637383940制冷量(kW)69.568.968.167.566.86665.264.763.963.161.0注：冷水出水温度为7C。室外环境温度(°C)-5-4-3-2-101234567制热量(kW)35.838.441.844.74749.752.3555859.363.56668.8注：热水出水温度为45Co从以上数据可以看出，此风冷热泵机组在制冷运行时，环境温度为40C时的制冷量比环境温度30C时减少14%；制热运行则更加明显，环境温度为-5C时的制热量比环境温度7°C即额定工况时减少92％。可见，在人们越需要空调的时候，机组空调效果越差。制热除霜除了温度的影响之外，风冷热泵的制热性能受湿度的影响更大。当室外换热器（即冷凝器）的外翅片表面温度低于o°c,且低于室外空气露点温度时，结霜将是无可避免的，室外空气的相对湿度越高，结霜越多。根据市场调查，一般环境温度低于5°C,相对湿度大于65%时，室外换热器就开始结霜；相对湿度达到70%以上时，室外环境温度在3C〜5C的范围内，结霜最为严重。因此，风冷热泵机组在较低的环境温度下制热运行时，几乎是忙于除霜，制热还未产生较明显的效果，水系统温度尚未升起来，就得去除霜，反复如此，使得采暖供水的温度很难达到40C，用户感觉出风温度总是较低且带凉意，供暖效果很差。为了解决除霜问题，厂家采取了多种除霜方式，常见的有电热除霜、热气除霜等。电热除霜是把电加热器直接置于换热器表面端部，或者将电热器与换热器做成一体，利用高品味的电能来获取除霜所需的热量，效率低且运行费用昂贵。热气除霜一般分为热气旁通除霜和热气短路除霜两种。热气旁通除霜即在压缩机排气管上旁通一路到室外换热器底部，用1个电磁阀控制流量，当室外感温头处的温度达到设定值时，电磁阀开启接通旁路，使一部分压缩机排气直通室外换热器底部，进行室外换热器除霜，其余部分的压缩机排气还是通向室内机，满足制热的需要。当全部的压缩机排气都参与除霜时，则称为热气短路除霜。在实际运行中，这两种方式的除霜效果都差强人意，因为它们均是利用系统原来的制热量来除霜。如果频繁除霜或长时间除霜，会使除霜干净，换热效果好，但总的制热运行时间缩短，系统制热量不足，水系统温度偏低；相反，如果长时间不除霜或者除霜时间短，会使除霜不干净，换热效果差，同样造成系统制热量不足，水温偏低。特别是室外温度越低，结霜越厚，这两种方式的除霜效果必然也就越差，而且运行时间太长压缩机有液击的危险。因此，这些除霜方式都不能从根本上解决风冷热泵机组的固有缺陷。VRV系统近年来，以DJ为代表，开发了新一代的空气-空气热泵（VRV系统），采用变频涡旋式压缩机结合电子膨胀阀的系统方式，利用制冷剂直接蒸发来制冷或制热，该系统存在下述一些不可忽略的问题：制冷剂泄漏此类机组室外机与各室内机之间的连接管道内运行的是气态和液态的制冷剂。由于管路较长，接头焊接点多，再加上制冷剂非常容易泄漏，只要有一个微小的漏点，就难免造成泄漏。特别是混合制冷剂R407C由3种制冷剂混合而成，成分较为复杂，少量泄漏时，添加相当困难。安装要求高机组的室内机数量较多，管线长、高低差别大，在实际运行时压缩机的工况变化很大。为了保证压缩机的正常回油以及根据设计要求合理分配制冷剂的流量，必然对制冷管道的设计安装有着很高的要求。制冷剂的安全性此类机组的制冷剂一般采用R22或R407C，均属于无毒不可燃型制冷剂。但是，使用其直接蒸发并用于民用建筑时，其安全限值应低于0.36kg/m3，若以20m2房间为准（容积约50〜55m3）,则容许制冷剂总量约18〜20kg。如果系统的制冷剂容量超过此范围，由于其蒸汽的比重比空气的大，局部泄漏时易于沉积在房间的底部造成缺氧窒息。因此，对于机组使用的安全性，应引起足够的重视。综上所述，由于受到现有空调技术的限制，风冷热泵机组在实际制热运行时，其工况的稳定性以及空调效果受室外温度、湿度的影响波动很大，系统的效率非常低，并严重影响空调的舒适性。2.水源热泵利用水作为冷热源的热泵，称为水源热泵。根据其冷却水的流程，水源热泵一般可分为直流式系统和循环式系统两种形式。直流式水源热泵系统通常利用地下水（深井水、泉水、地下热水等）或者地表水（河水、湖水、海水等）作为冷热源，使用后直接排放，水袒觌泵原理图細沐出coh该系统要求用户具备充足的水源和良好的水质，必须遵守水源管理部门的要求。使用地下水时，由于水的硬度较高，通常含有有害成分，必须采取相应的水处理 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ；如果水的PH值小于7,氧化铁含量大于0.15mg/L，含锰量大于0.1mg/L，则因水处理费用昂贵而不宜使用；而且，许多地区的地下水位极不稳定，水量很难保证。水源热泵系统使用地表水时，水中的菌藻会附着在换热设备表面而降低其传热系数；如果水质较差（铁含量高于0.2mg/L）,排水管和换热设备易被淤泥堵塞或者由于水中游离二氧化碳含量过高（高于20mg/L）而被腐蚀，系统的维护费用很高；另外，热泵长期不停地从河水或湖水采热，对河流或湖泊的生态也有很大的影响。循环式水源热泵系统就是将多台热泵家用空调器（一般为50〜100台）的冷却水管连接成为一个封闭的循环水系统，该系统的水温通过封闭循环的水冷却器（热源为空气、可利用的低温废热等）或者辅助加热锅炉控制在4°C〜37.5°C之间。在制冷运行时，空调器通过此系统将房间内多余的热量释放到室外大气中；在制热工况下，空调器通过该系统把室外大气中的热量转移到室内，从而将房间加热。此类系统如果没有可以利用的低温废热，或者废热源温度不稳定，需增设辅助加热锅炉，系统比较复杂，初投资较大；而且运行状况受室外气象条件的影响很大，极端气温（夏季高于37.5C，冬季低于4°C）时，COP值急剧下降；相对于风冷热泵而言，水源热泵不存在结霜的问题，额定工况下制冷、制热效率（COP值）一般在3.5〜4.0之间。但是，与一般的家用空调相类似，该系统存在以下几个方面的问题：——负荷调节能力差冷却系统没有部分负荷调节能力，运行费用不能分户计量，收费只能采用分摊的方式；室内机部分负荷时的调节能力非常差，只有开、停两种状态，使用寿命较短；——维护费用高压缩机置于室内，噪声很大，不便于维修；室内机存在氟里昂泄露的问题，维护费用高，不符合环保要求。——气流组织差室内机为氟里昂直接蒸发式换热系统，空调器的送、回风温差大，室内温度不均匀，易得“空调病”；由于室内机重量较大，安装方式有一定的局限性，再加上机型种类和维修空间的限制，很难考虑到机组与房间的合理匹配以及房间的最佳气流组织；3．土源热泵由于土壤的导热系数小，即工质与土壤之间的换热强度小，因此土源热泵冷凝器所需的传热面积较大，一般单机制冷量很小。即使新建建筑物隔热效果好，在普通的一小块地皮上，埋地盘管等廉价的地热采集器是不可能派上用场的，通常采用垂直型地热采集管，插入地下30〜100米。而且，由于土壤对金属有腐蚀作用，埋地金属管还必须在不影响传热的前提下进行防腐处理，因此土源热泵的安装费用很高。另外，土源热泵在运转过程中，地温会因采热而发生变化，造成热泵的热源温度不稳定，从而引起热泵的运行工况不稳定，使得机组运行效率下降。土源热泵一般只适合于热量要求只有4〜6kW的单户住宅，市场规模较小。